TecniCall® - časopis Českého vysokého učení technického v Praze

Počítač v roli patologa

Pracoviště doc. Dr. Ing. Jana Kybice z katedry kybernetiky Fakulty elektrotechnické ČVUT je místem, kde vznikají unikátní medicínské aplikace. Jednou z nich je i program pro registraci barvených tkáňových řezů.

Analýza histologických řezů může ukázat přítomnost různých typů proteinů, a tedy i vzorce jejich multigenové exprese, v různých typech buněk. Tyto vzorce lze použít jako buněčné markery nádorového zvratu buněk a vzniku prekanceróz nebo různých stádií karcinomu, stejně jako výchozí informace pro prognózu a plánování individuální terapie.
Histologické řezy jsou připravovány z bloků tkáně konzervovaných formolem, zalitých v parafi nu. Poté jsou řezy barveny, nebo jsou na ně aplikovány imunohistochemické diagnostické metody. Každé barvivo může označit například určitou část buněk, nebo určitý protein. Technicky je však počet barviv v jednom řezu omezen a navíc obrazy řezů jsou pouze dvourozměrné a nepostihují tak třírozměrnou strukturu tkáně. Proto komplexní vyhodnocení vyžaduje nasnímání a zpracování velkého množství histologických obrazů, což je samo o sobě náročným úkolem vzhledem k jejich značné velikosti a komplikovanosti procesu řezání, barvení a snímání.
Zkušený patolog sice rozliší rychle to podstatné z jednotlivých řezů, ale nemá šanci porovnat a vyhodnotit velké soubory obrazů. Pro člověka velmi obtížné je i sloučit informaci z několika různě barvených řezů. Řešení pomohla najít výpočetní technika. Kritickým krokem v tomto procesu je správné přiřazení prostorové korespondence mezi po sobě následujícími řezy neboli registrace. Jednotlivé řezy jsou vůči sobě navzájem pozměněny prostorovou deformací, tenký řez tkáně (2-10 μm) se může natahovat, překládat nebo potrhat. Navíc, jsou-li řezy odlišně barveny, je i jejich vzhled značně odlišný. Odlišná je i lokální struktura, neboť každý z řezů zobrazuje jiné buňky. To způsobuje obtížnou použitelnost standardních metod registrace obrazů.
Ve spolupráci s firmou Flagship Bioscience, která projektu poskytla data a finanční podporu, vznikla na katedře kybernetiky FEL ČVUT praktická aplikace pro registraci těchto obrazů. Obrazy jsou nejprve nahrubo předregistrovány na základě automaticky detekovaných klíčových bodů nebo automaticky vytvořených binárních masek. Pro zarovnání detailů pak následuje elastická registrace na základě minimalizace kritéria kombinujícího podobnost obrázků, míru deformace a vzdálenost od počátečního řešení. Autor implementace, Ing. Michala Bušta, použil paralelizace, hierarchického a blokového zpracování a řady dalších triků, díky čemuž je možné v přiměřené době (minuty až jednotky hodin pro největší obrazy a největší kvalitu registrace) zpracovávat obrazy obsahující stovky miliónů pixelů. Implementace byla úspěšně předána zadavateli, firmě Flagship Bioscience, která ji plánuje začleněnit do svých produktů.
Doc. Kybic a jeho doktorand Ing. Jiří Borovec na tuto práci navázali metodou zvanou ASSAR (Automatic simultaneous segmentation and fast registration). Ta je založená na předpokladu, že jediná společná informace v sobě si odpovídajících bodech obou obrazů, které mají být registrovány, je druh tkáně. Proto jsou oba obrazy nejprve segmentovány tak, aby byly co nejpodobnější, a poté jsou segmentované verze registrovány. Jelikož stačí pracovat pouze s hranicemi mezi jednotlivými druhy tkání, registrace je velmi rychlá. ASSAR je na testovaných histologických řezech několikanásobně rychlejší než ostatní běžně používané registrační metody a přitom jeho přesnost a robustnost je podobná, jako u metody vyvinuté pro firmu Flagship a mnohem lepší než standardních registračních metod.
Po svém dokončení by metoda ASSAR měla být značně obecná a použitelná pro nejrůznější případy registrace obrazů, zejména tehdy, pokud se od sebe registrované obrazy značně liší a je kladen důraz na rychlost. Kromě lékařských aplikací to může být například zpracování dat z dálkového průzkumu Země z různých modalit.


Více na: http://cmp.felk.cvut.cz/~kybic/
http://fl agshipbio.com/

doc. Dr. Ing. JAN KYBIC

kybic@fel.cvut.cz

Chceme sloučit informaci z jednoho fyzického místa (označeného šipkou) z jednotlivých, různě barvených řezů.

Chceme sloučit informaci z jednoho fyzického místa (označeného šipkou) z jednotlivých, různě barvených řezů.


Obrázek pro posouzení kvality zarovnání. Každý z vodorovných pruhů pochází z jiného řezu.

Obrázek pro posouzení kvality zarovnání.
Každý z vodorovných pruhů pochází
z jiného řezu.